传感器第二章传感网络

1、第二章第二章 传感网络传感网络 定义：由多个传感器构成，用于输出大范围空间中多点、多参量传感信号的网络。 传感网络的种类： 工业网络 无线传感网络 物联网2.1工业传感网络1.RS 485网络连接主机端的RS422接口信号定义连接从机端的RS422接口信号定义RS422接口信号含义RS422接口信号含义3RXD（）/B 接收数据3TXD（）/ Z 发送数据4RXD（）/A 接收数据4TXD（）/ Y 发送数据5TXD（）/Y 发送数据5RXD（）/ A 接收数据6TXD（）/Z 发送数据6RXD（）/ B 接收数据 RS-485/RS-422总线电气特性工作模式差分传输（平衡传输）允许的收发器

2、数目32（受芯片驱动能力限制）最大电缆长度4000英尺（1219米）最高数据速率10Mbps最小驱动输出电压范围1.5V最大驱动输出电压范围5V最大输出短路电流250mA最大输入电流1.0mA/12Vin0.8mA/-7Vin驱动器输出阻抗54欧输入端电容50pF接收器输入灵敏度200mV接收器最小输入阻抗12k接收器输入电压范围-7V+12V接收器输出逻辑高200 mV接收器输出逻辑低200 mV石油天然气单井数字化建设井口RS-485设备组网图 摄摄像像机机数数字字套套压压数数字字油油压压流流量量计计电电磁磁阀阀RTU485集集线线器器太太阳阳能能电电池池板板太太阳阳能能控控制制器器蓄蓄电

3、电池池视视频频服服务务器器井井口口网网桥桥站站内内网网桥桥工工控控机机站站控控软软件件2.现场总线网络基金会现场总线LonWorksPROFIBUSCANHART2.2 无线传感网络 无线传感器网络的通信 标准 传输网络 无线传感网络的构成 无线传感网络 节点 基于ZIGBEE网络的无线定位跟踪技术2.1.1 无线传感器网络物理层无线协议方案无线传感器网络物理层无线协议方案 IEEE802.11xIEEE802.1.1和IEEE802.1.2 IEEE802.15标准： IEEE802.15.4（ZigBee） IEEE802.15.1（蓝牙） IEEE802.15.3（超宽带）IEEE802

4、.11x协议频段（GHz）传输速率(Mbit/s)传输距离代表性产品IEEE802.11a5.854 10100mIEEE802.11b2.4113050mIEEE802.11 b+22 IEEE802.11g2.454/11 IEEE802.11n540IEEE802.16a27050km IEEE802.1.1和IEEE802.1.2协议频段（GHz）传输速率(Mbit/s)传输距离(m)IEEE802.1.12.4110IEEE802.1.22.4110 IEEE802.15标准频段 MAC的控制方式调整方式传输速率(Kbit/s)传输距离(m)868MHz 星型网络/点对点网络BPSK

5、2075915MHz星型网络/点对点网络BPSK40752.4GHz星型网络/点对点网络Q-QPSK25075IEEE802.15.4具有三个工作频段，分别为：868MHz，欧洲的ISM（Industrial，Scientific and Medical）频段；915MHz，美国的ISM频段；2.4GHz，全球统一的无需申请的ISM频段。2.2.2 传输网络无线技术标准频段传输速率(kbit/s)传输距离/m功耗短波GJB282697MIL-STD-188-110X330MHz319.2Kbit/s1000公里超短波30300MHz319.2Kbit/s60公里无线网桥10300Ms50公里G

6、SM/GPRS/CDMA100MsWiFi802.112.4 GHz11000100高Bluetooth802.15.12.4 GHz10000 10低UWB802.15.33.110.6GHz10000010低ZigBee802.15.42.4 GHz250 1075低IrDAinfrared160001低RFID50kHz5.8GHz200 5RF3001000MHz10 x10 x100 x低1.短波数据传输 也称高频通信，它是利用频率为230MHz的电磁波进行传播的无线电通信。其电磁波是通过距地面几十到上百公里的电离层反射进行远距离传输的（近距离可通过地波传输）。 短波通信的优点 a、

7、短波通信传输距离远 b、短波通信工作系统设备构成简单 c、短波通信便于携带、易于移动 d、短波通信安全性好、保密性强 e、短波通信组网快捷、方便、简单短波通信的缺点 a、电离层的变化对短波通信的质量有严重的影响，导致通信频率的不确定，使话音通信时好时坏甚至中断；或者数据通信的速率时高时低，通信质量不稳定。 b、早期的短波通信系统可靠性差、功能单一，应用领域受到限制。 2.超短波数据传输 工作频率为30300MHz(波长为101米，也称为米波)的无线电通信设备。严格地说，凡在此波段内工作的接力机、散射机和流星余迹通信设备等，也属于超短波电台。但通常指的是以地波或空间波视距传输的步谈机、便携式、车

8、载(或机载、舰载)式电台。它主要由收发信机、天线和电源等部分组成。超短波电台可采用调幅、调频、单边带等调制制度，通常以调频制为主，其抗干扰性能优于调幅制和单边带制 超短波电台超短波通信的优点超短波通信的优点 a、超短波通信质量稳定 b、超短波通信工作系统设备构成简单 c、超短波通信便于携带、易于移动 d、超短波通信安全性好、保密性强 e、超短波通信组网快捷、方便、简单超短波通信的缺点超短波通信的缺点 a、短波通信传输距离近 b、视距传播，不能越过大的障碍物。3.无线网桥 无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。根据协议不同，无线网桥又可以分为2.4GHz频段的80

9、2.11b或802.11G以及采用5.8GHz频段的802.11a无线网桥 网桥无线网桥的特点 无线网桥有三种工作方式，点对点，点对多点，中继连接。 无线网桥功率大，传输距离远（最大可达约50km），抗干扰能力强等，不自带天线，一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。 现在市面上已经出现了802.11n的无线网桥，传输速率可达到300Mbps以上。 数字化油田 数字化油田 生产决策管理生产决策管理生产日常管理生产日常管理生产运行管理生产运行管理) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) 油井数传 4.ZI

10、GBEE ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加 ZigBee特点 (1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。 (2) 成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.

11、52.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。 (3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 (4) 网络容量大: 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MA

12、C层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 (6) 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。Zigbee成果 5.GPRS GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换

13、，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。 GSM/GPRS数据传输模块 2.2.3无线传感器网络2.4.1无线传感器网络构成(WSN)无线传感器网络简称WSN（wireless sensor network），是一种由大量小型传感器所组成的网络。l传感器节点l网关节点（sink节点）l传输网络l远程监控中心 2.2.4无线传感器节点 传感器单元 处理器单元 通信单元 电源及电源管理单元 定位系统（可选） 运动系统（可选） 能量产生装置（可选）典型无线传感网络节点表 节点名称处理器（公司）无线芯片（技术）电池类型发布日期WeCAT90S8535(Atmel)TR1000(

14、RF)Lithium1998ReneeATmega163(Atmel)TR1000(RF)AA1999MicaATmega128L(Atmel)TR1000(RF)AA2001Mica2ATmega128L(Atmel)CC1000(RF)AA2002MicaDotATmega128L(Atmel)CC1000(RF)Lithium2002Mica3ATmega128L(Atmel)CC1020(RF)AA2003MicazATmega128L(Atmel)CC2420(ZigBee)AA2003TolesMSP430F149(TI)CC2420(ZigBee)AA2004XYZnodeML6

15、7Q500 x(OKI)CC2420(ZigBee)NiMn Rechargeable2005Platform1PIC16LF877(Microchip)Bluetooth&RFAA2004Platform2TMS320C55xx(TI)UWBLithium2005Platform3ARM7TDMI核+ Bluetooth集成(Zeevo)Battery 2005ZabranetMSP430F149(TI)9Xstream(RF)Batteries20041.传感器单元2.处理器单元 对一些数据量较少的节点，可以采用单片机做控制器，这样做的一个优点是降低了系统的功耗。如TI生产的MSP430F

16、1xx 就是一类极低功耗的微控制器，工作电压为1. 8V，实时时钟待机电流仅为1.1uA，而运行模式电流低至300uA( 1MH z)，从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6us。 在某些数据量大的节点中，高端的处理器也有应用。如StrongARM 处理器SA1110，功耗为27 976mw。该处理器同时支持DVS 节能，可以降低功耗450mw，关掉无线模块的功耗可以降低300mw。 还有一些节点使用DSP作为处理器。这类节点的能量消耗较高，但是处理能力也很强，适用于图像等高数据量业务的应用。采用这类高端处理器作为网关节点也是不错的选择。各种常见的微控制器性能比较 厂商芯片型号RAM容量/KBFl

17、ash容量/KB正常工作电流/mA睡眠模式下的电流/uAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC16LF87x0.36821Intel8051 8位 Classis0.5323058051 16位1164510Philips80C51 16位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP430F14x 16位2601.51MSP430F16x 16位104821AtmelAT91 ARM Thumb256102438160IntelX

18、Scale PXA27X256N/A39574SamsungS3C44B08N/A605表 应用于无线传感网络的无线通信技术3.通信单元无线技术频率距离/m功耗传输速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.11b2.4GHz100高11000RFID50KHz2.4GHz5200ZigBee2.4GHz1075低250IrDAinfrared1低16000UWB3.110.6GHz10低100000RF3001000MHz10 x100 x低10 x常见电池的性能参数 4.电源及电源管理单元 电池类型铅酸镍铬镍氢锂离子聚合物锂锰银锌重量能量比/（Whkg1）35415080120160140180330体积能量比/（WhL1）801201002002002803205501150循环寿命/次3005008001000100011工作温度/20602060206006006020602060记忆效应无有小很小无无无内阻308071918358010080100毒性有有轻毒轻毒轻毒无有价格低低中高最高高中可充电是是是是是否否2.2.3无线传感器网络特点 自组织 低功耗 节点计算功能 节点间的通信功能 无中心 多